EP1123455B1 - Erzeugnis mit wärmedämmschicht sowie verfahren zur herstellung einer wärmedämmschicht - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a product, in particular a component a gas turbine, with a base body and one on it arranged thermal insulation layer.
- the invention further relates a method of applying a thermal barrier coating on a Product which can be exposed to a hot aggressive gas is and a basic body, in particular a metallic Has basic body.
- thermal barrier coating system an intermetallic adhesive coating known.
- the Thermal insulation layer system is on a metallic base body applied, especially on a Cr-Co steel for a Aircraft engine blade.
- the basic body is an intermetallic bonding layer, in particular from a nickel aluminide or a Platinum aluminide applied.
- an intermetallic bonding layer in particular from a nickel aluminide or a Platinum aluminide applied.
- To this bonding layer closes a thin ceramic layer made of aluminum oxide to which the actual thermal barrier coating, in particular made of zirconium oxide stabilized with yttrium.
- This ceramic thermal insulation layer made of zirconium oxide has one rod-shaped structure, the rod-shaped stems essentially directed perpendicular to the surface of the base body are. This is intended to improve cyclical thermal load capacity can be guaranteed.
- the thermal insulation layer is by means of an electron beam PVD (Physical Vapor deposition) process deposited on the base body, being with an electron beam gun from a metal oxide body zirconium oxide is evaporated.
- the procedure is carried out in a corresponding device, in which the base body at a temperature of about 950 ° C. is preheated to 1000 ° C.
- the basic body is during the Coating process in the metal oxide beam with a constant speed rotates.
- U.S. Patent 4,405,659 and U.S. Patent 5,514,482 are each Components, in particular gas turbine blades, from a Nikkel or cobalt-based alloy, on each of which a ceramic thermal barrier coating with a stem-shaped structure is applied.
- the average diameter of the stems is here over 2.5 ⁇ m, the layer thickness being approximately 125 ⁇ m.
- the ceramic thermal barrier coating is by means of a EB (Electron Beam) PVD process applied.
- WO 98/13531 A1 describes a component, in particular a gas turbine blade, described which on a metallic Basic body a ceramic thermal barrier layer with a stem-shaped Has fine structure, the mean stem diameter less than 2.5 ⁇ m. That low mean Stem diameter for layer thicknesses used in gas turbine construction of the order of magnitude over 100 ⁇ m is replaced by a reactive Gas flow spattering process reached.
- a ionizable gas passed through a hollow cathode and due the voltages prevailing in the hollow cathode ionize, and thus accelerated towards the inner wall of the hollow cathode.
- the hollow cathode has the coating material on its inner wall, in particular metallic zircon, which knocked out by the ions and towards the surface to be coated Basic body is transported.
- EP 0 139 396 A1 describes a coating system for a Turbine blade known in different surface areas various coatings applied are, depending on that on the turbine blade occurring temperature. This is called between one and a cold end of the turbine blade.
- the different coatings are based on the different Temperature requirements regarding their ductility and their creep behavior especially adapted. You point different chemical compositions. This requires that between adjacent layers be different Composition arranged a transition layer becomes.
- the object of the invention is to provide a product which one hot aggressive gas is exposed, with a load-bearing Specify thermal barrier layer. Another job the invention is a method for coating to specify a product with a thermal barrier coating.
- the first-mentioned object is achieved by a product, in particular a component of a gas turbine, which is exposed to a hot aggressive gas and a body has, solved, on the base body a thermal barrier coating same chemical composition applied which is in a first surface area and in a second surface area different fine structures has, and thus in accordance with the intended Use locally prevailing or expected thermomechanical stresses on the product is trained.
- the two surface areas lie in the same surface plane or surface layer. In particular, they are arranged side by side.
- the thermal barrier coating shows in the surface areas the same in terms of its chemical composition Thermal insulation material.
- the thermal barrier coating can therefore be considered as one A material insulation layer can be called. This has opposite Multi-material insulation layers have the decisive advantage that the problems inherent in a material transfer are avoided. At the same time are different Fine structures the respective surface areas for the expected loads.
- thermomechanical loading in areas with different geometries, especially with regard to surface curvature, convexity or concavity, at an expected same local thermomechanical loading the fine structure in the geometrical different surface areas essentially is executed immediately.
- This special training of Coating is an advantage, especially for curved ones Components that are exposed to a hot gas flow, which to locally different thermomechanical loads leads because the thermal insulation layer locally to the occurring thermomechanical loads, such as temperature and force by impacting particles. hereby the life span of the thermal barrier coating can be targeted influence locally, in particular extend, so that the The service life and the lifespan of the product are extended becomes.
- the thermal insulation layer preferably has a fine structure Ceramic stems on which are essentially normal to the surface of the main body are directed.
- the ceramic stems can have a diameter of a few ⁇ m at a Have layer thickness of up to 100 microns or more.
- a Fine structure with ceramic stems is particularly advantageous because these thermal expansions of the main body can follow cyclical temperature changes without damage.
- the ceramic stems in the first surface area preferably have a smaller average diameter than in the second Surface area.
- the thermal barrier coating in the first Surface area can therefore generally have a finer fine structure than in the second surface area, whereby especially this area with finer fine structure increased Temperatures, in particular temperature changes can withstand.
- the thermal insulation layer in the first surface area which has a higher thermomechanical load when the second surface area is exposed opposite the thermal insulation layer in the second surface area preferably a denser fine structure.
- the product is preferably a component of a thermal Machine, especially a gas turbine, such as a stationary one Gas turbine with the field of application in power plant technology or an aircraft engine turbine.
- the product can do this as a heat shield of a combustion chamber or as a turbine blade, a turbine blade or turbine guide blade, be trained.
- a turbine blade has a leading edge and a trailing edge with opposite between them arranged pressure side and suction side. The leading edge is the most thermally stressed point Turbine blade and also due to the impact there Hot gas also exposed to increased erosion conditions.
- On the suction side and the pressure side are similar locally thermomechanical loads.
- a turbine blade on the suction side and the pressure side a respective thermal barrier coating with essentially the same Fine structure (second surface area).
- thermomechanical insulation layer On the leading edge is preferably a finer fine structure of the Thermal insulation layer (first surface area) provided, so that the thermomechanical stresses prevailing there justice.
- a thermal barrier coating is opposite more resistant to thermomechanical loads than that Thermal insulation layer on the suction side and pressure side.
- the thermal barrier coating is preferably ceramic. It can have zirconium oxide (ZrO 2 ) or another ceramic material suitable for use at high temperatures, in particular a metal oxide. A zirconium oxide is preferably partially or fully stabilized with yttrium oxide (Y 2 O 3 ) or with another oxide of a rare earth element.
- the thermal barrier coating can also comprise a compound from the group of the refractory perovskites, for example LaAlO 3 , CaZrO 3 , or the spinels, for example MgAl 2 O 4 , MgCr 2 O 4 or AB 2 O 4 , where A is an element from the group Ni , Co, Ti; B stands for A1 or Cr and O for oxygen.
- the base body is preferably made of metal.
- corrosion resistance is particularly suitable Nickel and / or cobalt-based alloys, as exemplified are given, inter alia, in US Pat. No. 4,405,659.
- an adhesion promoter layer is arranged between the base body and thermal insulation layer.
- This can consist of a Alloy comprising chromium, aluminum, yttrium and / or one Group IIIb elements of the periodic table including the actinides and the lanthanides and additionally or alternatively contain rhenium, the majority of which Alloy can consist of iron, cobalt and / or nickel.
- Such alloys containing yttrium are in the literature under the designation "MCrAlY” alloy. alloys which is significantly more rhenium than the proportion of yttrium can be referred to as "MCrAlRe" alloy.
- an oxide layer in particular made of aluminum oxide, chromium oxide and / or gallium oxide can be provided.
- Such an oxide layer can already be applied as an oxide or as a result Oxidation (Thermal Grown Oxid, TGO) arise due to thermal conditions.
- the on a method of applying a thermal barrier coating on a product that can be exposed to a hot aggressive gas is and has a basic body, directed task is achieved in that the base body a thermal barrier coating with a uniform chemical composition is applied such that the thermal barrier coating itself in a first surface area of the base body a first fine structure and in a second surface area with a second fine structure corresponding to the one at Use of the thermomechanical product to be expected locally Training load.
- the method therefore provides a product which is a local thermomechanical on the product Takes account of burdens.
- This also makes it possible targeted in local surface areas, which essentially are exposed to the same thermomechanical conditions, also a respective thermal insulation layer with essentially to produce the same fine structure.
- This is particularly so then advantageous if the geometric design of such second surface area is different, in particular the curvatures change in size and / or direction (concave, convex) clearly differ from each other.
- the method for producing a thermal barrier coating is preferred as electron beam vapor deposition (electron beam physical vapor deposition; EB-PVD) or as reactive Gas flow sputtering process, such as in the WO 98/13531 A1 is carried out.
- electron beam vapor deposition electron beam physical vapor deposition; EB-PVD
- reactive Gas flow sputtering process such as in the WO 98/13531 A1 is carried out.
- the coating process becomes a vapor phase (physical vapor deposition) through various process parameters, such as Temperature of the product to be coated, performance of one Electron beam gun, acceleration of those to be deposited Particles in the direction of the product, gas flow in a coating chamber, Supply of oxygen, partial pressure of a Reactive gas, total pressure in the coating chamber, heating output a heater, rotation speed of the product, relative movement between product and a partial jet forming the thermal barrier coating, and others Process parameters determined.
- the procedure will be accordingly the local requirement of the individual thermal insulation layers or several process parameters controlled or regulated so that the thermal insulation layer according to local requirements forms.
- the method is preferably applied to a blade of a turbomachine, used in particular a gas turbine, wherein the thermal barrier coating on the suction side essentially the can have the same fine structure as on the print side.
- the thermal barrier coating With a shovel it is additionally or alternatively possible on a leading edge, which is an increased thermomechanical Stress, especially an erosion attack, is exposed, the thermal barrier coating more resistant, in particular to be applied with a finer fine structure than on less heavily used surface areas. Less strong contaminated surface areas can be the suction side, the pressure side or the trailing edge of the blade.
- process parameters such as motion of the product (the turbine blade) as simple Rotation of the product around an axis and as a swiveling one and / or inclination-changing movement can, the local layer rate on the one particle evaporation crucible facing surface of the product as well other process parameters are coordinated so that the locally desired, stress-oriented layer structure is produced.
- Parameters that can influence are, among other things, the stratification rate, the performance of an evaporator gun in EB-PVD processes, the deflection of the evaporator gun electron beams, the total pressure in the coating chamber, the partial pressure of a reactive gas, the Product temperature, the type of movement, the relative speed of the product during steaming.
- a load-bearing one can be used Thermal insulation layer by a link the evaporation power with the rotation of the turbine blade produce. This can be done at the time when the leading edge the blade faces the evaporation crucible, the speed of rotation with reduced evaporation power be increased so that the layer rate drops locally and at the same time a dense layer structure is realized. has for example the pressure side of the scoop to the evaporation crucible, so the speed of rotation can be reduced and the evaporation capacity can be increased so that the Layer structure of the thermal insulation layer turns out less dense, and that by simultaneously adjusting the process accordingly for the suction side, the thermal barrier coating on the suction side and an essentially identical fine structure on the pressure side having.
- FIG. 1 is a perspective view of the product a turbine blade 1, in particular a moving blade a gas turbine, shown, the blade root 14th with which the turbine blade 1 in a not shown rotatable shaft can be attached.
- the actual airfoil area closes on, which extends from a leading edge 7 to a trailing edge 8 on the one hand a print page 9 and on the other hand a suction side 10 extends.
- cooling channels 13 In the actual airfoil area are cooling channels 13 for guiding a cooling medium, especially cooling air.
- the airfoil area forms an entire surface 4 with different curved surface areas.
- the turbine blade 2 shows the turbine blade as a product in a cross section 1 of a gas turbine shown during a Use in a gas turbine, not shown, from a hot gas 16 flows around.
- the turbine blade extends in cross section 1 from the leading edge 7 via the pressure side 9 and the suction side 10 to a trailing edge 8.
- the turbine blade 1 is formed from a base body 2, in the Inside several cooling channels 13 are provided for guiding cooling air are.
- the entire surface 4 of the turbine blade 1 is coated with a heat insulation layer 5A, 5B.
- first heat insulation layer 5A is provided, which is particularly resistant to protect the turbine blade 1 against an inflow the hot gas 16, which in addition to a high thermal load the leading edge 7 also lead to an erosion attack can.
- thermomechanical Experiencing stress is in a second surface area 3B, which is essentially the whole Surface of the pressure side 9 can extend, a second thermal barrier coating 5B applied.
- This second layer of thermal insulation 5B is preferably opposite the first thermal barrier coating 5A due to the lower thermomechanical prevailing there Load less dense.
- a thermal insulation layer is analogous 5B in a second surface area 3B on the Suction side 10 is provided, which with its fine structure essentially corresponds to the thermal barrier coating 5B on the pressure side 9.
- FIGS. 3 and 4 schematically show the structure of a thermal barrier coating system 15 on the leading edge 7 (FIG 3) and the Suction side 10 and pressure side 9 (FIG 4) shown.
- the thermal insulation layer system 15 is applied to the base body 2 and has one directly adjacent to the base body 2 Adhesion promoter layer or oxidation and corrosion protection layer 11, adjoining it an oxide layer 12 and on the Oxide layer 12 on the actual thermal insulation layer 5A, 5B.
- the adhesion promoter layer 11 can be an alloy of the type MCrAlY or MCrAlRe.
- the oxide layer 12 can essentially consist of an aluminum oxide or alternatively or additional metal oxides such as chromium oxide or gallium oxide exhibit.
- the choice of the adhesive layer 11 and the Of course, oxide layer 12 depends on the material the base body 2 and the thermal barrier coating to be applied 5A, 5B, which for example consist of partially stabilized Zirconium oxide can exist.
- the heat insulation layer 5A, 5B has a fine structure with ceramic stems 6, which essentially oriented perpendicular to the surface 4 of the base body 2 are.
- the ceramic stems 6 each have a middle one Stem diameter D1, D2.
- the stem diameter D1 of the Ceramic stem 6 in the area of the leading edge 7 is lower than the stem diameter D2 in the area of the suction side 10 or the pressure side 9. This makes the thermal insulation layer 5A at the leading edge 7 not only denser but also better suitable, thermomechanical alternating stresses without damage to survive.
- the stem diameter D1 can be here with a layer thickness of the thermal insulation view 5A of approximately 100 ⁇ m to 200 microns in the range between 0.5 and 5 microns, preferably below 2.5 ⁇ m.
- the coating device 20 has a coating chamber 24 in which a suitable one Vacuum (vacuum) is adjustable.
- a suitable one Vacuum vacuum
- To generate the negative pressure are examples of two pumps, namely a mechanical one Pump 30 and a diffusion pump 31 specified. each these pumps 30, 31 are connected via a connecting line 33 a control device 21 through which the Pump power and thus the vacuum pressure in the coating chamber 24 have it set.
- Points in a lower area the coating chamber 24 is a rod-shaped coating target 23 from the material forming the thermal insulation layer, for example zircon. This coating target 23 is grounded.
- the coating turbine blade 1 with a rotatable component holder 22 supported, which is outside the coating chamber 24 is connected to a drive motor 32.
- This Drive motor 32 serves to rotate the turbine blade 1 around the longitudinal axis of the turbine blade 1, not shown, so that the turbine blade 1 is coated on all sides.
- the Drive motor 32 is also via a connecting line 33 connected to the control device 21.
- On the turbine blade 1 facing surface 28 of the coating target 23 is in the direction of the turbine blade 1 itself opening melting pot 27 (evaporation crucible) arranged.
- melting pot 27 evaporation crucible
- Within the coating chamber 24 is an electron beam gun 25 arranged, which are provided with deflection plates 26 is that an electron beam 35 is placed in the evaporation crucible 27 meets.
- the electron gun 25 also in another place - if necessary outside the Coating chamber 24 - can be arranged.
- the electron beam gun 25 is also via a connecting line 33 connected to the control device 21.
- a blade heater 29 is arranged also via a connecting line 33 to the control device 21 is connected.
- a preheater 34 is provided through which The actual coating begins to heat up the turbine blade 1 reachable to a given temperature is.
- the Turbine blade 1 between the blade heater 29 and the Evaporation crucible 27 arranged.
- One from the electron beam gun 25 emerging electron beam 35 brings that Coating material 23 in the evaporating crucible 27 for Melting (to evaporate).
- the coating material steps in the direction of the turbine blade 1 and separates on this as a thermal insulation layer 5A, 5B.
- the coating material can already do this present in the chemical composition, as in the heat insulation layer 5A, 5B should be present, in particular already as an oxide, for example zirconium oxide. It is also possible as part of a reactive gas flow sputtering process to evaporate a metallic coating material which after deposition on the turbine blade 1 by oxygen is oxidized or already on the way to the turbine blade 1 is oxidized to the desired metal oxide.
- the process parameters of the Coating process controlled or regulated so that accordingly the local requirements for the thermal insulation layer 5A, 5B a corresponding deposition with formation of the thermal barrier coating 5A, 5B in the different surface areas 3A, 3B of the turbine blade 1 is formed.
- the evaporation performance with the component rotation be linked so that at the time when the leading edge 7 of the turbine blade 1 points to the evaporation crucible 27
- Rotation speed over the drive motor 32 at a lower Evaporation power (power of the electron beam gun 25) can be increased so that the layer rate drops locally and at the same time a dense layer structure of the thermal insulation layer 5A is realized.
- the pressure side 10 of the turbine blade 1 or the suction side 9 of the turbine blade 1 Evaporation crucible 27 opposite so the speed of rotation reduced and the evaporation performance increased become, whereby a less dense insulation layer can be achieved is.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Erzeugnis (1), insbesondere eine Gasturbinenschaufel, welches einem heißen aggressiven Gas (16) aussetzbar ist. Das Erzeugnis (1) weist einen Grundkörper (2) auf, auf den in zumindest einem ersten Oberflächenbereich (3A) und in einem zweiten Oberflächenbereich (3B) eine jeweilige Wärmedämmschicht (5A, 5B) aufgebracht ist, die im ersten Oberflächenbereich (3A) eine andere Feinstruktur als im zweiten Oberflächenbereich (3B) besitzt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen einer Wärmedämmschicht (5A, 5B) auf ein Erzeugnis (1).
Description
Die Erfindung betrifft ein Erzeugnis, insbesondere ein Bauteil
einer Gasturbine, mit einem Grundkörper und einer darauf
angeordneten Wärmedämmschicht. Die Erfindung betrifft weiter
ein Verfahren zum Aufbringen einer Wärmedämmschicht auf ein
Erzeugnis, welches einem heißen aggressiven Gas aussetzbar
ist und einen Grundkörper, insbesondere einen metallischen
Grundkörper aufweist.
Aus der US-PS 5,238,752 ist ein Wärmedämmschichtsystem mit
einem intermetallischen Haftvermittlungsüberzug bekannt. Das
Wärmedämmschichtsystem ist auf einem metallischen Grundkörper
aufgebracht, insbesondere auf einem Cr-Co-Stahl für eine
Flugtriebwerksschaufel. Unmittelbar auf diesem metallischen
Grundkörper ist eine intermetallische Haftvermittlungsschicht,
insbesondere aus einem Nickelaluminid oder einem
Platinaluminid aufgebracht. An diese Haftvermittlungsschicht
schließt sich eine dünne keramische Schicht aus Aluminiumoxid
an, auf die die eigentliche Wärmedämmschicht, insbesondere
aus mit Yttrium stabilisierten Zirkonoxid, aufgetragen ist.
Diese keramische Wärmedämmschicht aus Zirkonoxid hat eine
stabförmige Struktur, wobei die stabförmigen Stengel im wesentlichen
senkrecht zur Oberfläche des Grundkörpers gerichtet
sind. Hierdurch soll eine Verbesserung der zyklischen
thermischen Belastungsfähigkeit gewährleistet sein. Die Wärmedämmschicht
wird mittels eines Elektronenstrahl-PVD (Physical
Vapour Deposition)-Verfahrens auf den Grundkörper abgeschieden,
wobei mit einer Elektronenstrahlkanone aus einem
metalloxidischen Körper Zirkonoxid verdampft wird. Das Verfahren
wird in einer entsprechenden Vorrichtung durchgeführt,
in der der Grundkörper auf eine Temperatur von etwa 950° C
bis 1000° C vorgeheizt wird. Der Grundkörper wird während des
Beschichtungsvorganges in dem Strahl aus Metalloxid mit einer
konstanten Geschwindigkeit rotiert.
Ein Elektronenstrahl-PVD-Verfahren zur Herstellung eines keramischen
Überzuges ist weiterhin in der US-PS 5,087,477 beschrieben,
wobei hierin die keramische Schicht eine Schichtdicke
zwischen 250 bis 375 µm aufweist.
In der US-PS 4,405,659 und der US-PS 5,514,482 sind jeweils
Bauteile, insbesondere Gasturbinenschaufeln, aus einer Nikkel-
oder Kobaltbasislegierung beschrieben, auf denen jeweils
eine keramische Wärmedämmschicht mit stengelförmiger Struktur
aufgebracht ist. Der mittlere Durchmesser der Stengel beträgt
hierbei über 2,5 µm, wobei die Schichtdicke etwa 125 µm beträgt.
Die keramische Wärmedämmschicht wird mittels eines
EB(Electron Beam)-PVD-Verfahrens aufgebracht.
In der WO 98/13531 A1 ist ein Bauteil, insbesondere eine Gasturbinenschaufel,
beschrieben welches auf einem metallischen
Grundkörper eine keramische Wärmedämmschicht mit einer stengelförmigen
Feinstruktur aufweist, wobei der mittlere Stengeldurchmesser
unter 2,5 µm aufweist. Dieser geringe mittlere
Stengeldurchmesser bei im Gasturbinenbau verwendeten Schichtdicken
von größenordnungsmäßig über 100 µm wird durch ein reaktives
Gasflußspatterverfahren erreicht. Hierbei wird ein
ionisierbares Gas durch eine Hohlkathode geführt und aufgrund
der in der Hohlkathode herrschenden Spannungen ionisiert, und
somit zu der Innenwandung der Hohlkathode hin beschleunigt.
Die Hohlkathode weist an ihrer Innenwandung das Beschichtungsmaterial,
insbesondere metallisches Zirkon auf, welches
durch die Ionen herausgeschlagen und in Richtung des zu beschichtenden
Grundkörpers transportiert wird.
Aus der US 5,350,599 ist eine Wärmedämmschicht für eine Turbinenschaufel
bekannt, die mehrere übereinander liegende
Schichten aufweist. Die äußere Oberflächenschicht ist dabei
erosionsresistent ausgebildet, während die darunter liegende
Schicht porös ausgebildet ist. Beide Schichten sind aus keramischem
Material und werden aufeinanderfolgend mittels des
PVD-Verfahrens aufgebracht. Durch Variation der Prozessparameter
beim Beschichten wird die poröse bzw. die dichte Struktur
der erosionsresistenten äußeren Schicht erhalten. Durch
das Aufbringen der äußeren erosionsresistenten Schicht soll
die Turbinenschaufel vor Erosionsschäden geschützt werden.
Aus der EP 0 139 396 A1 ist ein Beschichtungssystem für eine
Turbinenschaufel bekannt, bei der in unterschiedlichen Oberflächenbereichen
verschiedene Beschichtungen aufgebracht
sind, und zwar in Abhängigkeit der an der Turbinenschaufel
auftretenden Temperatur. Hierbei wird zwischen einem heißen
und einem kalten Ende der Turbinenschaufel unterschieden. Die
verschiedenen Beschichtungen sind dabei auf die unterschiedlichen
Temperaturanforderungen hinsichtlich ihrer Duktilität
und ihres Kriechverhaltens besonders angepasst. Sie weisen
hierzu unterschiedliche chemische Zusammensetzungen auf. Dies
macht erforderlich, dass zwischen benachbarten Schichten unterschiedlicher
Zusammensetzung eine Übergangsschicht angeordnet
wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Erzeugnis, welches einem
heißen aggressiven Gas aussetzbar ist, mit einer beanspruchungsgerechten
Wärmedämmschicht anzugeben. Eine weitere Aufgabe
der Erfindung liegt darin ein Verfahren zur Beschichtung
eines Erzeugnisses mit einer Wärmedämmschicht anzugeben.
Erfindungsgemäß wird die erstgenannte Aufgabe durch ein Erzeugnis,
insbesondere ein Bauteil einer Gasturbine, welches
einem heißen aggressiven Gas aussetzbar ist und einen Grundkörper
aufweist, gelöst, wobei auf dem Grundkörper eine Wärmedämmschicht
gleicher chemischer Zusammensetzung aufgebracht
ist, die in einem ersten Oberflächenbereich und in einem
zweiten Oberflächenbereich unterschiedliche Feinstrukturen
aufweist, und somit entsprechend den jeweils beim bestimmungsgemäßen
Einsatz lokal herrschenden oder zu erwartenden
thermomechanischen Beanspruchungen des Erzeugnisses beanspruchungsgerecht
ausgebildet ist. Die beiden Oberflächenbereiche
liegen in der gleichen Oberflächenebene oder Oberflächenschicht.
Sie sind insbesondere nebeneinander angeordnet.
Die Wärmedämmschicht weist in den Oberflächenbereichen
ein hinsichtlich seiner chemischen Zusammensetzung gleiches
Wärmedämmmaterial auf. Die Wärmedämmschicht kann also als eine
Ein-Material Dämmschicht bezeichnet werden. Dies hat gegenüber
Mehr-Material Dämmschichten den entscheidenden Vorteil,
dass die einem Materialübergang inhärenten Probleme
vermieden sind. Zugleich sind durch die unterschiedlichen
Feinstrukturen die jeweiligen Oberflächenbereiche für die zu
erwartenden Belastungen ausgelegt.
Es ist hierbei ebenfalls zusätzlich oder alternativ möglich,
daß in zwar geometrisch unterschiedlich ausgebildeten Bereichen,
insbesondere hinsichtlich Oberflächenkrümmung, Konvexität
oder Konkavität, bei einer zu erwartenden gleichen lokalen
thermomechanischen Belastung die Feinstruktur in den geometrisch
unterschiedlichen Oberflächenbereichen im wesentlichen
gleich ausgeführt ist. Diese spezielle Ausbildung der
Beschichtung ist von Vorteil, insbesondere bei gekrümmten
Bauteilen, die einem heißen Gasstrom ausgesetzt sind, welcher
zu lokal unterschiedlichen thermomechanischen Belastungen
führt, da die Wärmedämmschicht lokal an die auftretenden
thermomechanischen Belastungen, wie Temperatur und Krafteinwirkungen
durch auftreffende Partikel, angepasst ist. Hierdurch
läßt sich gezielt die Lebensdauer der Wärmedämmschicht
lokal beeinflussen, insbesondere verlängern, so daß auch die
Einsatzdauer und die Lebensdauer des Erzeugnisses verlängert
wird.
Vorzugsweise weist die Wärmedämmschicht eine Feinstruktur mit
Keramikstengeln auf, welche im wesentlichen normal zur Oberfläche
des Grundkörpers gerichtet sind. Die Keramikstengel
können hierbei einen Durchmesser von einigen µm bei einer
Schichtdicke von bis zu 100 µm oder mehr aufweisen. Eine
Feinstruktur mit Keramikstengeln ist insbesondere vorteilhaft,
da diese Wärmedehnungen des Grundkörpers vor allem bei
zyklischen Temperaturwechseln ohne Beschädigung folgen kann.
Die Keramikstengel im ersten Oberflächenbereich weisen vorzugsweise
einen geringeren mittleren Durchmesser als im zweiten
Oberflächenbereich auf. Die Wärmedämmschicht im ersten
Oberflächenbereich kann mithin allgemein eine feinere Feinstruktur
als im zweiten Oberflächenbereich besitzen, wodurch
insbesondere dieser Bereich mit feinerer Feinstruktur erhöhten
Temperaturen, insbesondere Temperaturwechselbeanspruchungen
standhalten kann. Die Wärmedämmschicht im ersten Oberflächenbereich,
welcher einer höheren thermomechanischen Belastung
als der zweite Oberflächenbereich ausgesetzt ist, weist
gegenüber der Wärmedämmschicht im zweiten Oberflächenbereich
vorzugsweise eine dichtere Feinstruktur auf.
Das Erzeugnis ist vorzugsweise ein Bauteil einer thermischen
Maschine, insbesondere einer Gasturbine, wie einer stationären
Gasturbine mit dem Einsatzgebiet in der Kraftwerkstechnik
oder einer Flugtriebwerksturbine. Das Erzeugnis kann hierbei
als ein Hitzeschild einer Brennkammer oder als eine Turbinenschaufel,
eine Turbinenlaufschaufel oder Turbinenleitschaufel,
ausgebildet sein. Eine Turbinenschaufel weist eine Anströmkante
und eine Abströmkante auf, mit dazwischen sich gegenüberliegend
angeordneter Druckseite und Saugseite. Die Anströmkante
ist die thermisch höchstbelastete Stelle einer
Turbinenschaufel und zudem aufgrund des dort auftreffenden
Heißgases auch erhöhten Erosionsbedingungen ausgesetzt. An
der Saugseite und der Druckseite herrschen lokal ähnliche
thermomechanische Beanspruchungen. Vorzugsweise weist mithin
eine Turbinenschaufel an der Saugseite und der Druckseite
eine jeweilige Wärmedämmschicht mit im wesentlichen gleicher
Feinstruktur (zweiter Oberflächenbereich) auf. An der Anströmkante
ist vorzugsweise eine feinere Feinstruktur der
Wärmedämmschicht (erster Oberflächenbereich) vorgesehen, so
daß diese den dort herrschenden thermomechanischen Beanspruchungen
gerecht wird. Ein solche Wärmedämmschicht ist gegenüber
den thermomechanischen Belastungen resistenter als die
Wärmedämmschicht an Saugseite und Druckseite.
Die Wärmedämmschicht ist vorzugsweise keramisch. Sie kann
Zirkonoxid (ZrO2) oder ein anderes für den Einsatz bei hohen
Temperaturen geeignetes keramisches Material, insbesondere
ein Metalloxid, aufweisen. Ein Zirkonoxid ist vorzugsweise
mit Yttriumoxid (Y2O3) oder mit einem anderen Oxid eines Elementes
der Seltenen Erden teil- oder vollstabilisiert. Alternativ
kann die Wärmedämmschicht auch eine Verbindung aus der
Gruppe der refraktären Perowskite, z.B. LaAlO3, CaZrO3, oder
der Spinelle umfassen, z.B. MgAl2O4, MgCr2O4 oder AB2O4, wobei
A für ein Element der Gruppe Ni, Co, Ti; B für A1 oder Cr und
O für Sauerstoff steht.
Der Grundkörper ist vorzugsweise metallisch ausgeführt. Für
Anwendungen bei hohen Temperaturen mit entsprechenden Anforderungen
an Korrosionsbeständigkeit eignen sich besonders
Nickel- und/oder Kobaltbasislegierungen, wie sie beispielhaft
unter anderem in der US-PS 4,405,659 angegeben sind.
Zwischen Grundkörper und Wärmedämmschicht ist vorzugsweise
eine Haftvermittlerschicht angeordnet. Diese kann aus einer
Legierung umfassend Chrom, Aluminium, Yttrium und/oder eines
der Elemente der Gruppe IIIb des Periodensystems einschließlich
der Actiniden und der Lanthaniden sowie zusätzlich oder
alternativ Rhenium enthalten, wobei der überwiegende Rest der
Legierung aus Eisen, Kobalt und/oder Nickel bestehen kann.
Solche Yttrium aufweisenden Legierungen sind in der Literatur
unter der Bezeichung "MCrAlY"-Legierung zu finden. Legierungen
die gegenüber dem Anteil an Yttrium deutlich mehr Rhenium
enthalten können als "MCrAlRe"-Legierung bezeichnet werden.
Zwischen der Haftvermittlerschicht und der Wärmedämmschicht
kann eine Oxidschicht, insbesondere aus Aluminiumoxid, Chromoxid
und/oder Galliumoxid vorgesehen sein. Eine solche Oxidschicht
kann bereits als Oxid aufgebracht sein oder infolge
Oxidation (Thermaly Grown Oxid, TGO) thermisch bedingt entstehen.
Die auf ein Verfahren zum Aufbringen einer Wärmedämmschicht
auf ein Erzeugnis, welches einem heißen aggressiven Gas aussetzbar
ist und einen Grundkörper aufweist, gerichtete Aufgabe
wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf den Grundkörper
eine Wärmedämmschicht einheitlicher chemischer Zusammensetzung
derart aufgebracht wird, daß die Wärmedämmschicht
sich in einem ersten Oberflächenbereich des Grundkörpers mit
einer ersten Feinstruktur und in einem zweiten Oberflächenbereich
mit einer zweiten Feinstruktur entsprechend der bei
Einsatz des Erzeugnisses lokal zu erwartenden thermomechanischen
Belastung ausbildet.
Mit dem Verfahren wird mithin ein Erzeugnis bereitgestellt,
welches eine den lokalen an dem Erzeugnis auftretenden thermomechanischen
Belastungen Rechnung trägt. Insbesondere kann
dadurch die Wärmedämmschicht an einem hochbelasteten Bereich
(ersten Oberflächenbereich) resistenter als in einem zweiten
Oberflächenbereich, der geringer thermomechanisch belastet
ist, ausgebildet sein. Es ist hierdurch ebenfalls möglich,
gezielt in lokalen Oberflächenbereichen, welche im wesentlichen
gleichen thermomechanischen Bedingungen ausgesetzt sind,
auch eine jeweilige Wärmedämmschicht mit im wesentlichen
gleicher Feinstruktur herzustellen. Dies ist insbesondere
dann vorteilhaft, wenn die geometrische Ausgestaltung solcher
zweiten Oberflächenbereich unterschiedlich ist, insbesondere
sich die Krümmungen in Größe und/oder Richtung (konkav, konvex)
deutlich voneinander unterscheiden.
Vorzugsweise wird das Verfahren zur Herstellung einer Wärmedämmschicht
als Elektronenstrahl-Bedampfungsverfahren (Electron-Beam-Physical-Vapour
Deposition; EB-PVD) oder als reaktives
Gasfluß-Sputterverfahren, wie es beispielsweise in der
WO 98/13531 A1 beschrieben ist, durchgeführt. Bei den physikalischen
Abscheidungsverfahren einer Wärmedämmschicht aus
einer Dampfphase (Physical-Vapour Deposition) wird der Beschichtungsprozeß
durch verschiedene Prozeßparameter, wie
Temperatur des zu beschichtenden Erzeugnisses, Leistung einer
Elektronenstrahlkanone, Beschleunigung der abzuscheidenden
Teilchen in Richtung des Erzeugnisses, Gasfluß in einer Beschichtungskammer,
Zufuhr von Sauerstoff, Partialdruck eines
Reaktivgases, Gesamtdruck in der Beschichtungskammer, Heizleistung
einer Beheizungsvorrichtung, Rotationsgeschwindigkeit
des Erzeugnisses, Relativbewegung zwischen Erzeugnis und
einem die Wärmedämmschicht bildenden Teilstrahl, und anderen
Prozeßparametern bestimmt. Bei dem Verfahren werden entsprechend
der lokalen Anforderung der Wärmedämmschichten einzelne
oder mehrere Prozeßparameter so gesteuert oder geregelt, daß
sich die Wärmedämmschicht entsprechend der lokalen Anforderungen
bildet.
Das Verfahren wird vorzugsweise auf eine Schaufel einer Strömungsmaschine,
insbesondere einer Gasturbine angewandt, wobei
die Wärmedämmschicht auf der Saugseite im wesentlichen die
gleiche Feinstruktur wie auf der Druckseite aufweisen kann.
Bei einer Schaufel ist es zusätzlich oder alternativ auch
möglich, an einer Anströmkante, welche einer erhöhten thermomechanischen
Belastung, insbesondere einem Erosionsangriff,
ausgesetzt ist, die Wärmedämmschicht resistenter, insbesondere
mit einer feineren Feinstruktur aufzubringen als an weniger
stark belasteten Oberflächenbereichen. Weniger stark
belastete Oberflächenbereiche können hierbei die Saugseite,
die Druckseite oder die Abströmkante der Schaufel sein. Hierbei
können die Prozeßparameter, wie beispielsweise die Bewegung
des Erzeugnisses (der Turbinenschaufel), die als einfache
Rotation des Erzeugnisses um eine Achse sowie als schwenkende
und/oder neigungsverändernde Bewegung ausgestaltet sein
kann, die lokale Schichtrate auf der einem Teilchenverdampfungstiegel
zugewandten Oberfläche des Erzeugnisses sowie
weitere Prozeßparameter so aufeinander abgestimmt werden, daß
die lokal gewünschte, beanspruchungsgerechte Schichtstruktur
erzeugt wird. Parameter die sich hierbei beeinflussen können,
sind unter anderem die Schichtrate, die Leistung einer Verdampferkanone
bei EB-PVD-Verfahren, die Ablenkung der Verdampferkanonen-Elektronenstrahlen,
der Gesamtdruck in der Beschichtungskammer,
der Partialdruck eines Reaktivgases, die
Temperatur des Erzeugnisses, die Art der Bewegung, die Relativgeschwindigkeit
des Erzeugnisses während der Bedampfung.
Bei einer Turbinenschaufel läßt sich beispielsweise eine beanspruchungsgerechte
Wärmedämmschicht durch eine Verknüpfung
der Verdampfungsleistung mit der Rotation der Turbinenschaufel
herstellen. Hierbei kann zu dem Zeitpunkt, an dem die Anströmkante
der Schaufel dem Verdampfungstiegel zugewandt ist,
die Rotationsgeschwindigkeit bei gesenkter Verdampfungsleistung
erhöht werden, so daß lokal die Schichtrate sinkt und
zugleich eine dichte Schichtstruktur realisiert wird. Weist
beispielsweise die Druckseite der Schaufel zum Verdampfungstiegel,
so kann die Rotationsgeschwindigkeit reduziert und
die Verdampfungsleistung gesteigert werden, so daß die
Schichtstruktur der Wärmedämmschicht weniger dicht ausfällt,
und daß durch gleichzeitig entsprechende Anpassung des Prozesses
für die Saugseite die Wärmedämmschicht an der Saugseite
und an der Druckseite eine im wesentlichen gleichen Feinstruktur
aufweist.
Ein Erzeugnis mit Wärmedämmschicht sowie ein Verfahren zur
Aufbringung einer Wärmedämmschicht werden nachfolgend beispielhaft
anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es
zeigen teilweise schematisiert und nicht maßstabsgerecht
- FIG 1
- eine Turbinenlaufschaufel
- FIG 2
- einen Querschnitt durch eine Turbinenschaufel
- FIG 3 u. FIG 4
- einen Schnitt durch ein Wärmedämmschichtsystem der Turbinenschaufel gemäß FIG 2 und
- FIG 5
- eine Beschichtungsanlage zur Beschichtung einer Turbinenschaufel mit einer Wärmedämmschicht.
In der FIG 1 ist in einer perspektivischen Ansicht als Erzeugnis
eine Turbinenschaufel 1, insbesondere eine Laufschaufel
einer Gasturbine, dargestellt, die einen Schaufelfuß 14
aufweist, mit dem die Turbinenschaufel 1 in eine nicht dargestellte
drehbare Welle befestigt werden kann. An den Schaufelfuß
14 schließt sich der eigentliche Schaufelblattbereich
an, welcher sich von einer Anströmkante 7 zu einer Abströmkante
8 über einerseits eine Druckseite 9 und andererseits
eine Saugseite 10 erstreckt. In dem eigentlichen Schaufelblattbereich
sind Kühlkanäle 13 zur Führung eines Kühlmediums,
insbesondere Kühlluft, vorgesehen. Der Schaufelblattbereich
bildet eine gesamte Oberfläche 4 mit unterschiedlich
gekrümmten Oberflächenbereichen.
In FIG 2 ist in einem Querschnitt als Erzeugnis die Turbinenschaufel
1 einer Gasturbine dargestellt, die während eines
Einsatzes in einer nicht gezeigten Gasturbine von einem Heißgas
16 umströmt wird. Im Querschnitt erstreckt sich die Turbinenschaufel
1 von der Anströmkante 7 über die Druckseite 9
und die Saugseite 10 zu einer Abströmkante 8. Die Turbinenschaufel
1 ist aus einem Grundkörper 2 gebildet, in dessen
Inneren mehrere Kühlkanäle 13 zur Führung von Kühlluft vorgesehen
sind. Die gesamte Oberfläche 4 der Turbinenschaufel 1
ist mit einer Wärmedämmschicht 5A, 5B beschichtet. Im Bereich
der Anströmkante 7 (erster Oberflächenbereich 3A) ist einer
erste Wärmedämmschicht 5A vorgesehen, die besonders resistent
zum Schutze der Turbinenschaufel 1 gegen eine Anströmung mit
dem Heißgas 16 ist, welches neben einer hohen thermischen Belastung
der Anströmkante 7 auch zu einem Erosionsangriff führen
kann. An der Druckseite 9, die eine andere Krümmung als
die Anströmkante 7 aufweist und auch eine geringere thermomechanische
Belastung erfährt, ist in einem zweiten Oberflächenbereich
3B, welcher sich im wesentlichen über die gesamte
Oberfläche der Druckseite 9 erstrecken kann, eine zweite Wärmedämmschicht
5B aufgebracht. Diese zweite Wärmedämmschicht
5B ist vorzugsweise gegenüber der ersten Wärmedämmschicht 5A
aufgrund der dort herrschenden geringeren thermomechanischen
Belastung weniger dicht ausgeführt. Analog ist eine Wärmedämmschicht
5B in einem zweiten Oberflächenbereich 3B an der
Saugseite 10 vorgesehen, die mit ihrer Feinstruktur im wesentlichen
der Wärmedämmschicht 5B an der Druckseite 9 entspricht.
In den Figuren 3 und 4 ist schematisch der Aufbau eines Wärmedämmschichtsystems
15 an der Anströmkante 7 (FIG 3) und der
Saugseite 10 bzw. Druckseite 9 (FIG 4) dargestellt. Das Wärmedämmschichtsystem
15 ist auf den Grundkörper 2 aufgebracht
und weist unmittelbar an den Grundkörper 2 angrenzend eine
Haftvermittlerschicht bzw. Oxidations- und Korrosionsschutzschicht
11, daran angrenzend eine Oxidschicht 12 und auf der
Oxidschicht 12 die eigentliche Wärmedämmschicht 5A, 5B auf.
Die Haftvermittlerschicht 11 kann eine Legierung der Art
MCrAlY oder MCrAlRe sein. Die Oxidschicht 12 kann im wesentlichen
aus einem Aluminiumoxid bestehen oder alternativ oder
zusätzlich weitere Metalloxide wie Chromoxid oder Galliumoxid
aufweisen. Die Wahl der Haftvermittlerschicht 11 sowie der
Oxidschicht 12 richtet sich selbstverständlich nach dem Material
des Grundkörpers 2 sowie der aufzubringenden Wärmedämmschicht
5A, 5B, die beispielsweise aus teilstabilisiertem
Zirkonoxid bestehen kann. Die Wärmedämmschicht 5A, 5B weist
eine Feinstruktur mit Keramikstengeln 6 auf, die im wesentlichen
senkrecht zur Oberfläche 4 des Grundkörpers 2 orientiert
sind. Die Keramikstengel 6 weisen jeweils einen mittleren
Stengeldurchmesser D1, D2 auf. Der Stengeldurchmesser D1 der
Keramikstengel 6 im Bereich der Anströmkante 7 ist geringer
als der Stengeldurchmesser D2 im Bereich der Saugseite 10
bzw. der Druckseite 9. Hierdurch ist die Wärmedämmschicht 5A
an der Anströmkante 7 nicht nur dichter sondern auch besser
geeignet, thermomechanische Wechselbeanspruchungen ohne Beschädigung
zu überstehen. Der Stengeldurchmesser D1 kann hier
bei einer Schichtdicke der Wärmedämmsicht 5A von etwa 100 um
bis 200 µm im Bereich zwischen 0,5 und 5 µm, vorzugsweise unterhalb
2,5 µm, liegen.
In FIG 5 ist in einem schematischen Längsschnitt eine Beschichtungsvorrichtung
20 zum Aufbringen einer Wärmedämmschicht
5A, 5B auf ein Erzeugnis 1, insbesondere eine Gasturbinenschaufel,
dargestellt. Die Beschichtungsvorrichtung 20
weist eine Beschichtungskammer 24 auf, in der ein geeigneter
Unterdruck (Vakuum) einstellbar ist. Zur Erzeugung des Unterdruckes
sind beispielhaft zwei Pumpen, nämlich eine mechanische
Pumpe 30 und eine Diffusionspumpe 31 angegeben. Jede
dieser Pumpen 30, 31 ist über eine Verbindungsleitung 33 mit
einer Steuereinrichtung 21 verbunden, durch die sich die
Pumpleistung und damit der Vakuumdruck in der Beschichtungskammer
24 einstellen lassen. In einem unteren Bereich weist
die Beschichtungskammer 24 ein stabförmiges Beschichtungs-Target
23 aus dem die Wärmedämmschicht bildenden Material,
beispielsweise Zirkon, auf. Dieses Beschichtungs-Target 23
ist geerdet. Oberhalb des Beschichtungs-Targets 23 ist die zu
beschichtende Turbinenschaufel 1 mit einem rotierbaren Bauteilhalter
22 gehaltert, welcher außerhalb der Beschichtungskammer
24 mit einem Antriebsmotor 32 verbunden ist. Dieser
Antriebsmotor 32 dient der Rotation der Turbinenschaufel 1 um
die nicht dargestellte Längsachse der Turbinenschaufel 1, so
daß die Turbinenschaufel 1 allseitig beschichtet wird. Der
Antriebsmotor 32 ist ebenfalls über eine Verbindungsleitung
33 mit der Steuereinrichtung 21 verbunden. An der der Turbinenschaufel
1 zugewandten Oberfläche 28 des Beschichtungs-Targets
23 ist ein in Richtung der Turbinenschaufel 1 sich
öffnender Schmelztopf 27 (Verdampfungstiegel) angeordnet. Innerhalb
der Beschichtungskammer 24 ist eine Elektronenstrahlkanone
25 angeordnet, welche so mit Umlenkplatten 26 versehen
ist, daß ein Elektronenstrahl 35 in den Verdampfungstiegel 27
trifft. Es versteht sich, daß die Elektronenstrahlkanone 25
auch an einer anderen Stelle - gegebenenfalls außerhalb der
Beschichtungskammer 24 - angeordnet sein kann. Die Elektronenstrahlkanone
25 ist ebenfalls über eine Verbindungsleitung
33 mit der Steuereinrichtung 21 verbunden. Oberhalb der Turbinenschaufel
1 ist eine Schaufelheizung 29 angeordnet, die
ebenfalls über eine Verbindungsleitung 33 mit der Steuereinrichtung
21 verbunden ist. Weiterhin ist in der Beschichtungskammer
24 eine Vorheizung 34 vorgesehen, durch die vor
Beginn der eigentlichen Beschichtung eine Aufheizung der Turbinenschaufel
1 auf eine vorgegebene Temperatur erreichbar
ist.
Während des Beschichtungsvorganges (EB-PVD-Verfahren) ist die
Turbinenschaufel 1 zwischen der Schaufelheizung 29 und dem
Verdampfungstiegel 27 angeordnet. Ein von der Elektronenstrahlkanone
25 austretender Elektronenstrahl 35 bringt das
Beschichtungsmaterial 23 in dem Verdamfpungstiegel 27 zum
Schmelzen (zum Verdampfen). Aus dem Verdampfungstiegel 27
tritt das Beschichtungsmaterial in Richtung der Turbinenschaufel
1 aus und scheidet sich auf dieser als Wärmedämmschicht
5A, 5B ab. Das Beschichtungsmaterial kann hierbei bereits
in der chemischen Zusammensetzung vorliegen, wie es in
der Wärmedämmschicht 5A, 5B vorliegen soll, insbesondere bereits
als Oxid, beispielsweise Zirkonoxid. Es ist ebenfalls
möglich, im Rahmen eines reaktiven Gasfluß-Sputterverfahrens
ein metallisches Beschichtungsmaterial zu verdampfen, welches
nach Abscheidung auf der Turbinenschaufel 1 durch Sauerstoff
oxidiert wird oder auf dem Weg zur Turbinenschaufel 1 bereits
zu dem gewünschten Metalloxid oxidiert wird.
Durch die Steuereinrichtung 21 werden die Prozeßparameter des
Beschichtungsvorganges so gesteuert oder geregelt, daß entsprechend
den lokalen Anforderungen an die Wärmedämmschicht
5A, 5B eine entsprechende Abscheidung unter Bildung der Wärmedämmschicht
5A, 5B in den unterschiedlichen Oberflächenbereichen
3A, 3B der Turbinenschaufel 1 entsteht. Beispielsweise
kann die Verdampfungsleistung mit der Bauteilrotation
so verknüpft sein, daß zum Zeitpunkt, an dem die Anströmkante
7 der Turbinenschaufel 1 zum Verdampfungstiegel 27 weist, die
Rotationsgeschwindigkeit über den Antriebsmotor 32 bei gesenkter
Verdampfungsleistung (Leistung der Elektronenstrahlkanone
25) erhöht werden, so daß lokal die Schichtrate sinkt
und zugleich eine dichte Schichtstruktur der Wärmedämmschicht
5A realisiert wird. Liegen die Druckseite 10 der Turbinenschaufel
1 oder die Saugseite 9 der Turbinenschaufel 1 dem
Verdampfungstiegel 27 gegenüber, so kann die Rotationsgeschwindigkeit
reduziert und die Verdampfungsleistung gesteigert
werden, wodurch eine weniger dichte Wärmedämmschicht erreichbar
ist.
Claims (18)
- Erzeugnis (1), welches einem heißen aggressiven Gas (16) aussetzbar ist, mit einem Grundkörper (2), auf den eine Wärmedämmschicht (5A, 5B) einheitlicher chemischer Zusammensetzung aufgebracht ist, die in einem ersten Oberflächenbereich (3A) eine andere Feinstruktur als in einem zweiten Oberflächenbereich (3B) aufweist.
- Erzeugnis (1) nach Anspruch 1, bei dem die Wärmedämmschicht (5A, 5B) eine Feinstruktur mit Keramikstengeln (6) aufweist, welche im wesentlichen normal zur Oberfläche (4) des Grundkörpers (2) gerichtet sind.
- Erzeugnis (1) nach Anspruch 2, bei dem die Keramikstengel (6) im ersten Oberflächenbereich (3A) einen geringeren mittleren Durchmesser (D1) als im einem zweiten Oberflächenbereich (3B) aufweisen.
- Erzeugnis (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Wärmedämmschicht (5A) im ersten Oberflächenbereich (3A) eine feinere Feinstruktur als im zweiten Oberflächenbereich (3B) aufweist.
- Erzeugnis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmedämmschicht (5A) im ersten Oberflächenbereich (3A) eine dichtere Feinstruktur als im zweiten Oberflächenbereich (3B) aufweist.
- Erzeugnis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches als Bauteil einer thermischen Maschine, insbesondere einer Gasturbine, ausgestaltet ist.
- Erzeugnis (1) nach Anspruch 6, welches als Hitzeschild einer Brennkammer ausgestaltet ist.
- Erzeugnis (1) nach Anspruch 6, welches als Turbinenschaufel ausgebildet ist.
- Erzeugnis (1) nach Anspruch 8, welches sich im Querschnitt von einer Anströmkante (7) zu einer Abströmkante (8) erstreckt, und dazwischen sich gegenüberliegend eine Druckseite (9) und eine Saugseite (10) aufweist, wobei die Wärmedämmschicht (5B) an der Saugseite (10) und der Druckseite (9) im wesentlichen die gleiche Feinstruktur und an der Anströmkante (7) eine feinere Feinstruktur aufweist.
- Erzeugnis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wärmedämmschicht (5A,5B) Zirkonoxid (ZrO2) oder eine Verbindung aus der Gruppe der refraktären Perowskite oder der Spinelle aufweist.
- Erzeugnis (1) nach Anspruch 10, bei dem die Wärmedämmschicht (5A,5B) mit Yttriumoxid (Y2O3) oder einem anderen Oxid der seltenen Erden teil- oder vollstabilisiert ist.
- Erzeugnis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches einen metallischen Grundkörper (2) aufweist, insbesondere aus einer Nickel- und/oder Kobaltbasislegierung.
- Erzeugnis (1 nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen Grundkörper (2) und Wärmedämmschicht (5A,5B) eine Haftvermittlerschicht (11) angeordnet ist, insbesondere aus einer Legierung der Art MCrAlY ist, wobei Cr für Chrom, A1 für Aluminium, M für ein Element oder mehrere Elemente aus der Gruppe umfassend Eisen, Kobalt und Nickel, sowie Y für ein Element oder mehrere Elemente der Gruppe IIIb des Periodensystems einschließlich der Actiniden und der Lanthaniden sowie Rhenium steht.
- Verfahren zum Aufbringen einer Wärmedämmschicht (5A,5B) auf ein Erzeugnis (1), welches einem heißen aggressiven Gas (16) aussetzbar ist und einen Grundkörper (2) aufweist, auf den eine Wärmedämmschicht (5A,5B) einheitlicher chemischer Zusammensetzung derart aufgebracht wird, dass sich in einem ersten Oberflächenbereich (3A) die Wärmedämmschicht (5A) mit einer ersten Feinstruktur und in einem zweiten Oberflächenbereich (3B) die Wärmedämmschicht (5B) mit einer zweiten Feinstruktur entsprechend der bei Einsatz des Erzeugnisses (1) lokal zu erwartenden thermomechanischen Belastung ausbildet.
- Verfahren nach Anspruch 14, bei dem als Erzeugnis (1) eine Schaufel einer Strömungsmaschine mit einer Saugseite (10) und einer Druckseite (9) verwendet wird, wobei die Wärmedämmschicht (5B) auf der Saugseite (10) die gleiche Feinstruktur wie auf der Druckseite (9) aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem als Erzeugnis (I) eine Schaufel einer Strömungsmaschine mit einer Anströmkante (7) und sich daran anschließender Saugseite (10) und Druckseite (9) verwendet wird, wobei auf die Anströmkante (7) eine Wärmedämmschicht (5A) mit einer feineren Feinstruktur als eine Wärmedämmschicht (5B) auf der Saugseite (10) und/oder Druckseite (9) aufgebracht wird.
- Verfahren nach Anspruch 14 bis 16, welches als Elektronenstrahl-Sputterverfahren (EB-PVD) oder reaktives Gasfluß-Sputterverfahren durchgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 17, bei dem Prozeßparameter, wie Relativbewegung zwischen Erzeugnis (1) und einem die Wärmedämmschicht (5A/5B) bildenden Teilchenstrahl (35), Schichtrate, Gesamtdruck in einer Beschichtungskammer, Partialdruck eines Reaktivgases, Temperatur des Erzeugnisses (1), entsprechend der zu erzielenden Feinstruktur der Wärmedämmschichten (5A,5B) gesteuert werden.
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